如何在小型pcb的移动设备上获得更好的无线性能

如何在小型pcb的移动设备上获得更好的无线性能

How to get better wireless performance for mobile devices with small PCBs

小型无线设备的需求正在增长，用于消费类应用，如可穿戴设备、医疗设备和跟踪器，以及工业应用，如照明、安全和建筑管理。因此，更小的电子设备将需要更小的PCB，这意味着天线必须使用较短的接地平面，如果它们是电池供电的，电源也是一个因素，因为设备不能消耗太多的功率。

这对产品设计师来说是一个很大的挑战。在新产品可以在运营商网络上使用之前，最终设计需要提交给正式的网络和政府批准，如果天线不能正常工作，或者如果设备通过重新辐射设备的噪声而产生无线电干扰，则设计很可能失败。因此，对于较小的产品，要获得运营商的批准就更难了，因为要实现足够好的无线性能来通过最低的发射和接收电平，就更难了。这在美国尤其如此，因为设计必须符合严格的标准才能获得网络的批准。

事实上，对于工作在1GHz以下频率的电小型天线，理想情况下，它们需要100mm或更大的接地层长度才能获得良好的性能和效率。如果天线效率下降，将导致功耗和成品网络审批问题。这意味着产品设计师面临的挑战是创造一个有足够空间让天线正常工作的设计，同时还要将所有组件安装到更小的PCB中。

对于工作频率低于1GHz的天线来说尤其如此，这些天线通常用于物联网设备、产品跟踪器、健身设备和其他类似的小型设备。

近距离使用的可穿戴设备和医疗设备带来了特殊的挑战。人体对射频信号有一定的限制，所以设计师应该考虑天线的辐射方式，一定要把天线放在人体不会阻挡信号的地方。

可穿戴设备可以小到50毫米甚至更小。其中一些可能使用不止一个天线！

在小型设备中，有几个因素会影响天线的性能，本文将依次介绍这些因素。第一个也是最重要的是地平面，在很多情况下，它对于天线的辐射是必不可少的。但这并不是全部，设计师应正确放置天线，并考虑其他部件以及这些部件相对于天线的位置，以确保天线路径中没有噪音或金属。最后，机壳对于设备可以起到不同的作用，我们将概述要避免的主要材料。

嵌入式天线-它们的工作原理

偶极子天线使用两个散热器工作，而嵌入式芯片天线只有一个。对于嵌入式天线，PCB的表面成为第二个散热器。这解释了为什么，如果PCB的长度太短，天线将不能有效地工作。

天线的共振与其波长直接相关。天线必须以波长的整数倍或分数倍谐振，最短谐振长度为波长的四分之一。

916MHz频率下的全波天线需要大约327mm长，这对于嵌入式天线是不可行的，但是对于87.2mm的接地层，四分之一波长的天线是可行的。这将盘绕在隐藏在微小的表面贴装芯片天线内部的铜线和层上。

天线设计人员利用地平面作为半波偶极子缺失的一半来克服这一局限性，使得四分之一波单极子天线辐射到地平面上。因此，小型无线设备中最流行的嵌入式天线往往是四分之一波单极子天线。

地平面长度

为了使嵌入式天线有效地工作，接地层必须至少是天线在其最低频率时的四分之一波长。因此，在较低频率下，当地平面为100mm或更大时，设计将更容易。

嵌入式天线的性能直接关系到它的地平面的长度，因此允许平面图是正确的长度是小型设计的最大挑战。

图1显示了从左边的794MHz到右边的2.69GHz的接地层长度和天线效率之间的权衡。

Figure 1.

这些结果清楚地显示了频率低于1GHz的小型地面天线效率是如何下降的。这些结果是在791-960MHz，1710-2170MHz，2300-1400MHz和2500-2969MHz频率下工作的3G/4G芯片天线的结果。

一般来说，对于频率低于1GHz的设备，接地层需要为100mm或更大。在美国，4G频段使用的频段低至698MHz，甚至617MHz，因为T Mobile的B71频段要求接地层长度甚至超过100mm。

在PCB上定位天线

接下来，我们应该考虑天线在PCB上的位置及其相对于其他组件的位置。天线应放置在整体射频布局和PCB堆叠的最佳位置，以使其有效辐射。

每个单独的天线都被设计成可以在PCB上的几个地方高效地工作。这通常是一个角落或一个边缘，但是每个天线是不同的，所以选择一个符合设计的天线，并根据制造商对该天线的建议放置它是很重要的。

图2显示了天线如何放置在一个小型设备（如可穿戴产品或手表）中的间隙区域。

Figure 2.

图3显示了适合手表设计的天线位置。并保持上述设计中所示的红色天线间隙。

Figure 3.

不要将有噪音的部件，如电池或LCD靠近天线部分。天线是接收能量的无源元件，接收来自噪声分量的辐射噪声，并将噪声传输到收音机，从而降低接收到的信号。天线也应远离人体以提高射频性能，这是上面图3中用蓝色标记的距离。

射频馈线和接地连接的布置对天线的功能至关重要。对于小型PCB中的小型嵌入式天线，蚀刻在PCB上的铜轨道可能构成天线的一个组成部分，因此应注意遵循制造商的规范或参考设计。

整体射频布局和PCB堆叠

通过在设计中仔细考虑射频元件的布局，可以最大限度地提高天线的性能。铜接地板不应被切割成痕迹或布置在一层以上，这样天线的接地板部分将能够更有效地辐射。

在PCB布局中，保持LCD或电池等组件远离天线区域是非常重要的，因为这些可能会干扰天线的辐射方式。

对于多频段频率，我们建议至少有四层PCB布局。

图4显示了顶层和底层是如何提供接地层的，而需要远离接地层的数字信号和电源则在这两层之间的空间中运行。

Figure 4.

调整天线性能

对于接地层比理想短的情况，设计师可以考虑其他技术来提高嵌入式天线的性能。

一种方法是调整天线的工作国。4G的频率范围很宽，从698MHz到2690MHz，但是每个不同的世界区域只使用这个频段的一部分，一个天线一次只能在一个频率上工作。这意味着，当一个产品要在一个地理区域使用时，可以对其进行调谐，使其在较窄的频段内工作。这将提高天线的性能。

另一种技术是包括一个有源调谐网络，有效地增加了一个射频开关电路，这将有助于克服由于主电路板小于75毫米的接地面积而造成的带宽减少。在天线馈源点附近增加PI匹配电路，对天线进行微调，提高天线性能。匹配电路的设计通常需要射频专家的帮助。

图5显示了天线评估板上的匹配电路。

Figure 5. 

设计输电线路

一旦选择了PCB的材料并且知道了其厚度和介电常数，就可以使用商用RF跟踪设计软件包来设计共面传输线。这将使用PCB厚度、铜层分离和基板介电常数来计算传输线的最佳宽度和两侧的适当间隙，以实现50Ω的共面传输线。

所有传输线的特性阻抗应设计为50Ω，射频系统的其他部分，如收发器或功率放大器，也应设计为50Ω的阻抗。

Antenova提供了一个免费的射频传输线计算器工具，帮助设计师确定传输线的尺寸。

其他因素

可能有多个天线，在同一PCB上以不同的频率工作，但放置得很近。如果天线是一个仅接收的系统，例如GPS接收机，则可能会被附近的发射天线（如4G无线电）检测到，从而降低GPS系统的精度。必须小心地通过天线之间的物理距离来分离这些天线系统-确保天线彼此正交-或者通过开槽去除天线之间共享的接地电流。

在多输入多输出（MIMO）系统中，设计需要一个以上的天线，这些天线应该与一个天线相对放置，以便它们能够共存。然后它们可以匹配到相同的频率。必须放置天线，以确保隔离和互相关在可接受的范围内。如上所述，必须小心地通过天线之间的物理距离来分离设备中的天线，确保天线彼此正交，或者在天线之间开槽以去除天线之间共享的接地电流。

图6显示了多样性的接近配置。

Figure 6.

Figure 7 shows opposed configurations for diversity.

图7显示了多样性的对立配置。

Figure 7.

外壳不应包含靠近天线的金属，但某些金属涂层是可以接受的，因为它们不能有效地传导能量。天线附近的金属物体会导致天线的频率降低。它还可以减少天线的工作带宽。天线附近金属物体的另一个问题是，金属物体阻挡了金属放置的方向上的信号，从而降低了整体辐射方向图，并可能导致信号劣化到与基站失去连接的程度。

结论

如果产品设计包括天线，尤其是使用小型PCB的天线，我们建议首先选择天线，然后将其放置在PCB上。这样做比将天线插入其他已完成的设计要容易得多。首先考虑天线通常是实现射频元件正常工作的设计的最快方法。

这将增加获得设备网络批准的机会。如果要获得批准，而且规则很严格，那么天线就需要高效运行。然而，AT&T确实考虑到了小于107毫米的设备，并降低了这些小型设备的效率阈值。